Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одной из актуальных проблем современных инженерной геологии и грунтоведения является изучение закономерностей формирования и деформируемости лессовых грунтов в основаниях зданий и сооружений. Практика строительства на лессовых фунтах свидетельствует о многочисленных деформациях зданий и сооружений, находящихся в сфере взаимодействия с лессовыми грунтовыми основаниями. До настоящего времени остается недостаточно изученной сама природа деформируемости лессовых грунтов под нагрузкой, несмотря на многочисленные исследования в данной области. Важность проблемы совершенно очевидна, если учесть современные масштабы строительства на подобных грунтах. Решение перечисленных вопросов возможно лишь на основании комплексного изучения и оценки структурно-текстурных особенностей лессовых грунтов и закономерностей их деформирования под влиянием внешних воздействий.
Основными механическими воздействиями, имеющими наибольшее распространение при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений на лессовых грунтах, являются статические (уплотнение грунтов фундаментами) и динамические (уплотнение грунтов трамбовками) воздействия, а так же замачивание находящегося в напряженном состоянии грунта. Они обуславливают существенные изменения микроструктуры лессовых пород: разрушение структурных составляющих элементов, формирование новой микроструктуры (при динамическом уплотнении) и т.п.
В последнее время в практике инженерно-геологических исследований широко применяются сканирующие электронные микроскопы, позволяющие качественно оценивать на микроструктурном уровне особенности строения грунта. Существующие методы подсчета структурных элементов не совсем четко обоснованы, а также являются, в большинстве случаев, либо субъективными оценками - зависящими от обслуживающего микроскопические установки оператора, либо имеют ряд недостатков для работы непосредственно с лессовыми грунтами (проблема с оптимальным разграничением на структурные элементы, работа с ограниченным числом точек изображения и др.)
«ОСІМІМОІІАЛЬІІАЇІ СИММПКА I
Лессовые грунты юга Западной Сибири требуют изучения их микроструктуры с учетом специфических региональных особенностей. Одной из этих особенностей является преобладание на указанной территории I типа грунтовых условий по просадочности.
Микроструктура лессовых грунтов как материнских пород Верхнего Приобья, обнаженных эрозией и претерпевших интенсивные гипергенные образования, имеет свои характерные особенности, в том числе и по гранулометрическому составу: значительную агрегирован-ность, ярко выраженную макропористость со значительным уменьшением с глубиной, неоднородность по площади и по вертикали, различные включения в виде линз и прослоек песка и др.
Сложность поведения лессовых фунтов юга Западной Сибири в процессе их эксплуатации в качестве оснований зданий и сооружений вызывает необходимость их изучения на количественном микроструктурном уровне для объективной оценки прочностных и деформационных свойств с закономерностями внутренних процессов в грунте с учетом региональных особенностей юга Западной Сибири.
Целью работы является получение достоверных данных о количественных морфометрических и геометрических характеристиках микроструктуры лессовых грунтов на территории юга Западной Сибири.
В работе решались следующие задачи:
-
Построить математическую модель цифрового дешифрирования и препарирования растровых электронных микроструктурных (РЭМ) изображений лессового грунта для выявления структурных особенностей на территории юга Западной Сибири.
-
Разработать методику количественного расчета геометрических и морфометрических параметров для лессовых грунтов региона с учетом их особенностей и реализовать ее в виде программного комплекса, позволяющего дешифрировать данные о количественных морфометрических и геометрических характеристиках микроструктуры лессовых грунтов.
-
Подготовить образцы лессового грунта методом охлаждения в жидком азоте с последующей их сублимацией в условиях глубокого вакуума и получить с достаточным разрешением и высоким динамическим диапазоном яркостей с помощью растрового электронного микроскопа изображения»
-
Произвести ввод полученных РЭМ-изображений в ЭВМ путем аналого-цифрового преобразования двумерного массива яркостей с последующей обработкой в программном комплексе, при этом разработать критерий выбора оптимальной разрешающей способности цифрового изображения грунта.
-
Оценить влияние действия динамических нагрузок (трамбовки массой 7 т) на изменение микроструктуры лессовых грунтов по различным горизонтам уплотненной толщи.
Методы исследований.
В данной диссертационной работе применялись методы теории информации, теории вероятностей и математической статистики, методы обработки, кодирования и дешифрирования цифровых изображений. На всех этапах разработки программного комплекса проводилось сопоставление экспериментальных данных с результатами обработки тестовых изображений, теоретических расчетов и существующих альтернативных методов.
Изучение микроструктурных особенностей грунта на количественном уровне при динамических воздействиях (уплотнение трамбовкой массой 7 т) выполнялось по всей глубине уплотняемой толщи и проводилось с помощью комплекса растровой электронной микроскопии.
Исходные данные и личный вклад автора.
В основу диссертационной работы положены материалы исследований, выполненных автором в период 2000-2004 гг. Автором разработана математическая модель цифрового дешифрирования и препарирования РЭМ-изображения лессовых фунтов региона, с дальнейшим проведением количественных исследований изменений микроструктуры грунта на различных уплотненных толщах под влиянием действия трамбовок повышенной массы.
Диссертационная работа выполнялась в составе временного научного коллектива кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова по профамме «Совершенствование методов расчета оснований зданий и сооружений на лессовых фунтах Западной Сибири с учетом выявленных закономерностей их деформирования», по НТТТ исследований высшей школы (подпрофамма «Архитектура и строительство») по теме «Исследование изменения прочности лессо-
вых фунтов в основаниях реконструируемых зданий и сооружений на базе микроструктурного анализа» и по договору с НИИСФ по теме «Разработка основных концепций и методов комплексного подхода к устройству оснований и фундаментов зданий и сооружений в экстремальных природно-климатических условиях России». Научная новизна.
-
Разработана методика дешифрирования физико-механических свойств грунтов по цифровым изображениям при механических воздействиях на фунтовые основания, включающая в себя получение, оцифровку, препарирование и количественный расчет геометрических и морфометрических параметров по РЭМ-изображениям.
-
Создана математическая модель цифрового дешифрирования лессового фунта юга Западной Сибири, основанная на применении методов дефокусировки, адаптивного квантования мод и низкочастотной пространственной фильтрации пиксельного шума.
-
Разработанная процедура выделения контура объекта на основе алгоритма четырехсвязности позволяет производить количественный анализ микроструктуры фунта путем подсчета истинных площадей, периметров и эквивалентных диаметров всех элементов, представленных на изображении, а также определять направления, вдоль которых ориентированы частицы (поры), при этом исследованы точностные характеристики получаемой информации.
-
В количественном отношении экспериментально установлены изменения микроструктуры лессового фунта региона юга Западной Сибири, происходящие под воздействием уплотнения трамбовкой массой 7 тонн на разных горизонтах уплотненной толщи. При этом было выявлено и количественно оценено максимальное сближение частиц, сопровождающееся процессом разрушения афегатов и глобул, и приводящее к формированию новой структуры фунта с устранением про-садочных свойств лессовых оснований.
Реализация и практическая ценность работы.
Разработанные методика и профаммный комплекс по количественной оценке РЭМ-изображения фунта могут применяться для исследования поведения не только лессовых просадочных фунтов юга Западной Сибири, но и с учетом региональных особенностей для исследования грунтов на других территориях Российской Федерации.
Разработанный метод обработки изображения грунта позволяет при проведении исследований на микроструктурном уровне регистрировать с требуемым пространственным разрешением одновременно несколько морфометрических и геометрических параметров, характеризующих дисперсную среду.
Результаты проведенных исследований могут применяться в других областях науки и техники, использующих изображения для отображения признаков и свойств объектов наблюдения и интерпретации зарегистрированных данных. В частности, сфера приложения результатов включает в себя технологии дистанционного контроля теплофи-зических процессов, в том числе параметров реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель и методика дешифрирования физико-механических свойств грунтов по цифровым изображениям при механических воздействиях на грунтовые основания юга Западной Сибири.
-
Методика выделения контура объекта на основе алгоритма че-тырехсвязности, количественный анализ микроструктуры грунта, а также результаты исследования точностных характеристик получаемой информации.
-
Динамика изменения основных структурных элементов лессового грунта юга Западной Сибири, уплотненного трамбовкой массой 7 тонн, на различных горизонтах уплотненной толщи, выявленная на основе количественного анализа РЭМ-изображений грунта.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) (2000-2004), на 58-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (Барнаул, 2000), на Международной научно-практической конференции «Гуманизм и строительство. Природа, этнос и архитектура» (Барнаул, 2003).
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов в заключении. Работа изложена на 128 страницах и содержит 45 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 97 наименований.
В приложениях приводится листинг заголовка базового модуля программного комплекса «Promik», характеристики вакуумного универсального поста ВУП-5 и сканера UMAX Astra 2100С.
